专利名称：一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法
技术领域：
本发明涉及一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，尤其涉及一种针对苯酚废水的处理方法，属于环境工程及工业废水处理技术领域。
背景技术：
含酚废水主要来源于焦化、煤气和石化工业，是一类难降解有机废水。而苯酚在酚类化合物中毒性最大，美国环保署把苯酚列入优先污染物的65种有毒污染物名单中，我国也把苯酚列入中国环境优先污染物黑名单之中。随着工业生产规模的不断扩大，含酚废水的排放量日益提高，从而出现了与之相关的含酚废水处理技术。
目前，含酚废水的处理方法主要包括萃取法、吸附法、化学氧化法和活性污泥法等。萃取法、吸附法和化学氧化法等是传统的废水处理方法，由于这些方法存在投资大，运行费用高，易于对环境造成二次污染等问题，在大规模工业废水处理领域的应用受到限制。活性污泥法运行费用低，运行操作简单，出水无二次污染，是最重要的工业废水处理方法。
在活性污泥法处理含酚废水的工艺中，分段式厌氧好氧活性污泥工艺是目前难降解废水的主要处理方式，废水按一定顺序经过厌氧池、兼性厌氧池和好氧池的处理，实现难降解成分的去除，此工艺处理效果较好，但是废水处理池占地面积大，处理效率低，厌氧装置启动维护困难，水力停留时间长，投资费用较高。近年来，随着生物流化床在废水处理领域中的应用，以及一体式厌氧生物降解和好氧生物降解工艺的提出，使难降解废水的处理效果明显提高，相关的废水处理技术受到日益广泛的重视。
生物流化床是近年来出现的一种新型的废水处理装置，它包括内循环生物流化床与外循环生物流化床两种形式，其中内循环生物流化床的导流筒又可分为一级与多级，一根与多根等不同形式。生物流化床应用于废水处理领域，使得气液固三相混合效果良好，占地面积小，可以极大的提高空气、废水与载体污泥三相的接触面积，提高了好氧活性污泥法的处理效率。
同时，基于生物流化床的特点，开发出一些在同一反应器内进行厌氧生物降解和好氧生物降解的流程。例如利用内循环式生物流化床内筒溶氧高、外筒溶氧低的特点，通过内部结构改造，可以分别强化内筒好氧和外筒厌氧的环境，使得好氧活性污泥和厌氧活性污泥共存于同一反应器的不同位置，实现了厌氧好氧的一体化。此类型废水处理流程工艺简捷，运行费用低，管理方便，但是好氧厌氧处理过程的匹配仍需改进，且反应器的结构或操作方法往往过于复杂。
为进一步提高生物流化床的效率，近来研究者提出的内循环三相流化床，将活性炭、焦炭等粒径在0.3-2mm的无机载体或聚乙烯、聚丙烯有机高分子载体，填充在床内。此类流化床所选用的载体的粒径一般非常小，其主要作用是构建微生物生长的核心和增加吸附的表面积，从而使床内保持高浓度的生物量，提高空气、废水与载体污泥三相的接触面积，该法可明显提高好氧降解的效率，但是没有将厌氧过程耦合在流化床中。
本专利在现有技术的基础上，立足于生物系统的协同关系及生物流化床中的高传质系数，提出在生物流化床中填加当量直径范围为10-40mm的大孔载体，通过载体内部出现的适合厌氧菌生长的区域，在生物流化床内引入厌氧环境，实现厌氧生物降解和好氧生物降解在同一装置内的耦合，从而提高含酚废水处理效率的方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有含酚废水处理方法占地面积大、能耗高、停留时间长和处理效率低等缺点，提出更为有效的含酚废水处理方法。该方法通过将厌氧生物处理和好氧生物处理过程耦合起来，实现厌氧好氧处理一体化，使得含酚废水处理过程中的能耗降低、停留时间缩短、处理效率提高、投资和运行费用降低。
本发明技术方案如下一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，该方法包括如下步骤a.废水首先进入调节池，根据水中各种营养元素的比例，添加氮盐、磷盐及营养盐类，并调节废水pH在7.0-8.5之间；b.调节后的废水进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；c.经过厌氧好氧耦合处理的出水排出流化床，进入沉降池中进行泥水分离；d.经过静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。
本发明的核心是在一个生物流化床中同时提供了好氧生物和厌氧生物生存的环境，同时两个环境间的物质可以通过扩散交换，从而实现了厌氧生物降解和好氧生物降解的耦合。
在生物流化床中悬浮有好氧活性污泥，通过生物流化床中的曝气装置，为好氧活性污泥提供溶氧，实现好氧降解；通过在流化床中投入可悬浮的、化学和生物稳定的大孔载体，利用大孔载体内存在的厌氧微生物的生存环境，实现厌氧降解。大孔载体的内核部分为厌氧环境，构成专性厌氧菌生长区，载体的外层为缺氧环境，构成兼性厌氧菌生长区。通过被动扩散和流体的冲刷作用，有机物可以进入载体内部，同时载体内部的厌氧降解产物也可进入流化床主体，实现厌氧降解和好氧降解在同一流化床反应器内的耦合。
为达到本发明的效果，本发明还采用了下述的技术方案
1)在整个载体中，至少有20％体积为厌氧菌可生长的环境，同时为减小物质在载体内部扩散到流化床主体的阻力，为此载体具体的尺寸特征满足如下标准当量直径范围为10-40mm，任何一维的最小尺度不小于8mm，孔径尺寸范围为0.5-2.0mm，体积空隙率范围为80％-95％，其具体的尺寸应根据不同的工业要求确定。
2)投加的大孔悬浮载体的体积占生物流化床有效体积的比值范围为1-40％，其投加量的最佳范围是5-30％。
本发明中采用的大孔悬浮载体的材料可以是聚亚氨酯、聚氨酯、纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或几种混合；形状为各种形状或者不同形状的混合；所用的生物流化床包括各种形式的内循环生物流化床和外循环生物流化床。本发明提出的含酚废水的处理方法，既可应用于序批式处理工艺也可应用于连续流式处理工艺。
本发明的原理本发明利用生物流化床取代普通活性污泥曝气池，强化了气液固三相的传质作用，一方面提高溶氧和氧气的利用率，强化了好氧生物降解；另一方面使得好氧活性污泥与废水充分混合，在较低的气流量下提高了好氧活性污泥的处理效率。
本发明将多孔有机悬浮载体加入到好氧活性污泥体系中，一方面由于溶解氧从主体好氧活性污泥体系向载体内部传递过程中的阻力，载体内部将逐渐形成缺氧或厌氧的微环境；另一方面促进载体内部和表面微生物的富集和固定化。
由于微生物的种群分布与所处的溶氧环境密切相关，流化床主体环境中为好氧活性污泥体系，而在载体内部则以兼性厌氧微生物和专性厌氧微生物为主。因此，通过在好氧活性污泥工艺中引进生物流化床和多孔隙有机悬浮载体技术，分别强化了好氧生物降解过程和厌氧生物降解过程，实验了厌氧生物处理与好氧生物处理的耦合。
由于将好氧、厌氧生物处理过程在同一反应器内耦合起来，废水中的难降解有机污染物将首先在载体内的厌氧环境中实现结构转变，成环的大分子物质将变成链状分子，从难降解物质转变为易生物降解的中间产物，然后扩散到流化床主体，在主体的好氧环境中实现进一步的生物降解。
综上所述，本发明的优点是1)停留时间缩短、处理效率提高厌氧好氧耦合生物处理法处理含酚废水的过程中，厌氧过程能够有效的提高难降解有机物的生物降解性，而中间产物有可以在强化的好氧过程中实现快速降解，从而使得整个生物处理过程的停留时间缩短，处理效率提高。
2)占地面积小、投资小厌氧好氧耦合生物处理法，一方面利用生物流化床取代传统的曝气池，减小了好氧处理的占地面积；另一方面，通过引入多孔隙有机大孔悬浮载体，使得分段式的好氧厌氧处理工艺实现一体化，从而取消了厌氧消化池，因而本技术大大减少了占地面积，节约了投资。
3)启动、操作和维护简单厌氧好氧耦合生物处理法是一种基于传统活性污泥法的集成耦合生物处理方法，工艺流程简洁，废水处理装置的启动、操作和维护简单。
4)剩余污泥产量小由于生物流化床高溶氧的特点，使得微生物新陈代谢旺盛，在整个生长周期中内源呼吸期延长，又因为载体使得厌氧环境得到强化，两方面共同作用实现了剩余活性污泥的原位降解，从而降低了剩余污泥的产量。
图1本发明处理体系结构示意图。
图2本发明的厌氧好氧耦合环境示意图。
具体实施例方式
本发明提出的厌氧好氧耦合生物处理体系结构如图1所示(以气升式内环流生物流化床为例)，主体设备为生物流化床，内部设有曝气装置3，导流筒4，而有机大孔悬浮载体2均匀分布在好氧活性污泥体系1中。
本发明中载体内部的微环境如图2所示，多孔隙有机大孔悬浮载体的内核部分为厌氧环境，构成专性厌氧菌生长区7；载体的中间部分为缺氧区，构成兼性厌氧菌生长区6；载体的表层为好氧区，为好氧菌生长区5。
下面给出基于本发明的部分具体实施例，但本发明专利所保护的内容并限于实施例。
实施例1大孔悬浮载体内的微生物相流化床类型气升式内环流生物流化床；有效容积19L载体材料聚亚氨酯；载体投加量占反应器有效容积的体积比1％载体尺寸15mm×15mm×15mm；载体孔径1.25mm；空隙率95％；最小一维尺寸15mm污泥来源废水处理厂二沉池污泥a.废水首先进入调节池，根据水中各种营养元素的比例，添加氮盐、磷盐及营养盐类，并调节废水pH在7.0左右；b.调节后的废水进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；c.经过厌氧好氧耦合处理的出水排出流化床，进入沉降池中进行泥水分离；d.经过静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。
当污泥驯化后，取出单个载体进行扫描电镜观察，可以发现载体内核与外部的微生物相有着显著的区别，内核部分出现了一定数量的螺旋菌，这是生长在厌氧环境的典型菌种，表征大孔悬浮载体内部确实形成了厌氧环境。
实施例2序批式活性污泥工艺流化床类型气升式内循环一级生物流化床；有效容积19L载体材料聚亚氨酯；载体投加量占反应器有效容积的体积比30％；载体尺寸10mm×10mm×8mm；载体孔径0.5mm；空隙率80％；最小一维尺寸8mm处理周期12ha.废水首先进入调节池，根据水中各种营养元素的比例，添加氮盐、磷盐及营养盐类，并调节废水pH在8.0左右；b.调节后的废水进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；c.经过厌氧好氧耦合处理的出水排出流化床，进入沉降池中进行泥水分离；d.经过静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。
本实施例处理含苯酚的模拟废水，主要含有苯酚、葡萄糖及氮、磷盐类。其中进水CODcr为3198.8mg/L，苯酚含量为865.8mg/L，pH为7.33。出水CODcr为59.2mg/L，苯酚未检测出，pH为7.43。本例的CODcr去除率为98.1％，活性污泥浓度为7.0g/L，污泥体积指数为60.0ml/g。
实施例3序批式活性污泥工艺流化床类型气升式内循环一级生物流化床；有效容积19L载体材料聚亚氨酯；载体投加量占反应器有效容积的体积比5％载体尺寸25mm×25mm×25mm；载体孔径1.25mm；空隙率95％；最小一维尺寸25mm处理周期24ha.废水首先进入调节池，根据水中各种营养元素的比例，添加氮盐、磷盐及营养盐类，并调节废水pH在8.5左右；b.调节后的废水进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；c.经过厌氧好氧耦合处理的出水排出流化床，进入沉降池中进行泥水分离；d.经过静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。
本实施例处理含苯酚的模拟废水，主要含有苯酚、氮、磷盐及少量葡萄糖。其中进水CODcr为4137.0mg/L，苯酚含量为1464.2mg/L，pH为8.45。出水CODcr为278.3mg/L，pH为7.63。本例的CODcr去除率为93.3％，活性污泥浓度为7.7g/L，污泥体积指数为55.2ml/g。
实施例4连续流式活性污泥工艺流化床类型气升式内循环二级生物流化床；有效容积67L载体材料聚亚氨酯；载体孔径2mm；空隙率90％；最小一维尺寸15mm本实施例将两种不同尺寸的载体混合使用载体尺寸115mm×15mm×15mm；载体投加量占反应器的体积比20％载体尺寸240mm×40mm×40mm；载体投加量占反应器的体积比20％水力停留时间28ha.废水首先进入调节池，根据水中各种营养元素的比例，添加氮盐、磷盐及营养盐类，并调节废水pH在7.5左右；b.调节后的废水进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；c.经过厌氧好氧耦合处理的出水排出流化床，进入沉降池中进行泥水分离；d.经过静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。
本实施例处理含苯酚的模拟废水，主要含有苯酚、葡萄糖及氮、磷盐类。其中进水CODcr为12810.9mg/L，苯酚含量为3903.5mg/L。出水CODcr为1965.1mg/L。本例的CODcr去除率为84.7％，活性污泥浓度为5.7g/L，污泥体积指数为28.0ml/g。
权利要求
1.一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤a.废水首先进入调节池，根据水中各种营养元素的比例，添加氮盐、磷盐及营养盐类，并调节废水pH在7.0-8.5之间；b.调节后的废水进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；c.经过厌氧好氧耦合处理的出水排出流化床，进入沉降池中进行泥水分离；d.经过静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。
2.根据权利要求1所述的一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，所述大孔悬浮载体当量直径范围为10-40mm，任何一维的最小尺度不小于8mm，孔径尺寸范围为0.5-2.0mm，体积空隙率范围为80％-95％。
3.根据权利要求1所述的一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，所述大孔悬浮载体投加的体积占生物流化床有效体积的1-40％。
4.根据权利要求1所述的一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，所述大孔悬浮载体投加的体积占生物流化床有效体积的5-30％。
5.根据权利要求1所述的一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，所述大孔悬浮载体采用的材料为聚亚氨酯、聚氨酯、纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，所述生物流化床为内循环生物流化床。
7.根据权利要求1所述的一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，其特征在于，所述生物流化床为外循环生物流化床。
全文摘要
本发明涉及一种厌氧好氧耦合生物流化床处理含酚废水的方法，属于环境工程及工业废水处理技术领域。废水首先进入调节池调节后进入含有大孔悬浮载体的生物流化床中，进行曝气，通过厌氧好氧耦合生物处理，实现废水降解；排出流化床，静置，将上层达标水排出，下层沉降污泥小部分排放，大部分回流至流化床内继续参与废水处理过程。本发明在一个生物流化床中同时提供了好氧生物和厌氧生物生存的环境，同时两个环境间的物质可以通过扩散交换，从而实现了厌氧生物降解和好氧生物降解的耦合；本发明停留时间缩短、处理效率提高，占地面积小、投资小，启动、操作和维护简单，剩余污泥产量小，既可应用于序批式处理工艺也可应用于连续流式处理工艺。
文档编号C02F3/30GK1850656SQ20061001207
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月31日 优先权日2006年5月31日
发明者赵洲洋, 蒋国强, 乔永, 丁富新 申请人:清华大学